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合成関数の差分の証明です。

合成関数の差分の証明

合成関数の差分の証明です。

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前進差分

hg(x)hx=g(x+h)-g(x)(x+h)-x
=g(x+h)-g(x)h
から変形して
g(x+h)=g(x)+hg(x)hxh…①

差分(商)の公式に①を代入
hf(g(x))hx=f(g(x+h))-f(g(x))(x+h)-x
=f(g(x)+hg(x)hxh)-f(g(x))h
=f(g(x)+hg(x)hxh)-f(g(x))h(hg(x)hx)(hg(x)hx)
=f(g(x)+hg(x)hxh)-f(g(x))hg(x)hxhhg(x)hx
=f(g(x)+hg(x)hxh)-f(g(x))(g(x)+hg(x)hxh)-g(x)hg(x)hx
=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx

よって
hf(g(x))hx=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx

後退差分

hg(x)hx=g(x)-g(x-h)x-(x-h)
=g(x)-g(x-h)h
から変形して
g(x+h)=g(x)-hhg(x)hx…①

差分の公式に①を代入
hf(g(x))hx=f(g(x))-f(g(x-h))x-(x-h)
=f(g(x))-f(g(x)-hg(x)hxh)h
=f(g(x))-f(g(x)-hg(x)hxh)h(hg(x)hx)(hg(x)hx)
=f(g(x))-f(g(x)-hg(x)hxh)hg(x)hxhhg(x)hx
=f(g(x))-f(g(x)-hg(x)hxh)g(x)-(g(x)-hg(x)hxh)hg(x)hx
=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx

よって
hf(g(x))hx=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx

中心差分

Mxg(x)=g(x+h2)-g(x-h2)2
=2g(x+h2)-g(x+h2)+g(x-h2)2
=g(x+h2)-h2δhg(x)δhx
式変形して
g(x+h2)=Mxg(x)+h2δhg(x)δhx…①

Mxg(x)=g(x+h2)-g(x-h2)2
=g(x+h2)-g(x-h2)+2g(x-h2)2
=g(x-h2)+h2δhg(x)δhx
式変形して
g(x-h2)=Mxg(x)-h2δhg(x)δhx…②

差分の公式に①と②を代入
δf(g(x))δx=f(g(x+h2))-f(g(x-h2))(x+h2)-(x-h2)
=f(Mxg(x)+h2δhg(x)δhx)-f(Mxg(x)-h2δhg(x)δhx)h
=f(Mxg(x)+h2δhg(x)δhx)-f(Mxg(x)-h2δhg(x)δhx)h(δhg(x)δhx)(δhg(x)δhx)
=f(Mxg(x)+h2δhg(x)δhx)-f(Mxg(x)-h2δhg(x)δhx)hδhg(x)δhxδhg(x)δhx
=f(Mxg(x)+h2δhg(x)δhx)-f(Mxg(x)-h2δhg(x)δhx)(Mxg(x)+h2δhg(x)δhx)-(Mxg(x)-h2δhg(x)δhx)δhg(x)δhx
=δ(hδhg(x)δhx)f(Mxg(x))δ(hδhg(x)δhx)Mxg(x)δhg(x)δhx

よって
δhf(g(x))δhx=δ(hδhg(x)δhx)f(Mxg(x))δ(hδhg(x)δhx)Mxg(x)δhg(x)δhx

完成した公式

hf(g(x))hx=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx
hf(g(x))hx=(hhg(x)hx)f(g(x))(hhg(x)hx)g(x)hg(x)hx
δhf(g(x))δhx=δ(hδhg(x)δhx)f(Mxg(x))δ(hδhg(x)δhx)Mxg(x)δhg(x)δhx
ただしMxg(x)=g(x+h2)+g(x-h2)2